吳立朋，閻培渝

(1．石家莊鐵道大學 土木工程學院 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043;2．清華大學 土木工程系 土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，北京 100084)

使用交流阻抗技術(shù)的混凝土滲透性快速評價

吳立朋1，2，閻培渝2

(1．石家莊鐵道大學 土木工程學院 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043;2．清華大學 土木工程系 土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，北京 100084)

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題主要由其滲透性決定。本文提出了一種基于交流阻抗技術(shù)的混凝土氯離子滲透性快速測試方法。該法測試時間短，重復性好，無破損性，可對同一試件進行長期監(jiān)測，且對不同膠凝材料體系的水泥基材料具有廣泛適用性。理論分析和試驗測試表明，該法與ASTM C1202方法具有很好的相關(guān)性，并根據(jù)試驗結(jié)果擬合得到了兩者的換算關(guān)系，參照ASTM C1202的滲透性劃分，建立了新的混凝土滲透性分級標準。

混凝土滲透性 電阻抗 相關(guān)性

混凝土中氯離子的傳輸性質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性至關(guān)重要。為了測量混凝土中氯離子的傳輸參數(shù)，開發(fā)了多種測試方法，美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)規(guī)定了 3種測試方法，即快速氯離子侵入試驗［1］(ASTM C1202)，90 d 泡水試驗［2］(ASTM C1543)及體擴散試驗［3］(ASTM C1556)。我國的《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》將C1202方法及北歐標準NT Build 492(或稱RCM方法)定為推薦方法。ASTM C1202方法因其易用性而成為最為普遍的氯離子傳輸參數(shù)測試方法。然而，除文獻［4］所指出的一些缺點外，ASTM C1202測試持續(xù)時間過長(6 h)，且屬破壞性試驗，不能對試件進行長期監(jiān)測，也是其短處。SHI caijun經(jīng)理論分析指出ASTM C1202實際上是一種電導測試方法［5］。據(jù)此，Zhao Tiejun等提出用固定頻率的小幅交流電對混凝土試件進行電導測試［6］，但混凝土材料是一種含復雜成分孔溶液的多孔材料，不同測試頻率下得到的電導不同。本文基于交流阻抗技術(shù)提出了一種簡單易行，且與ASTM C1202方法具有很好相關(guān)性的混凝土氯離子傳輸參數(shù)的測定方法。

1 方法介紹

交流阻抗是研究水泥基材料微、細觀結(jié)構(gòu)和化學反應機理的一種技術(shù)［7-8］。應用到素混凝土滲透性測試時，一般采用雙電極體系，通過在試件兩端施加小幅交流擾動電壓，測試試件的電流響應，得到其交流阻抗。因施加的交變電壓幅值很小(一般＜500 mV)，故對混凝土的微結(jié)構(gòu)基本沒有破壞，可以認為是一種非破損性試驗方法。將試驗得到的不同頻率下的阻抗虛部及實部分別作為縱坐標及橫坐標，即得Nyquist圖，通過對Nyquist圖進行分析，可得到水泥基材料的豐富信息。

1.1 原材料和配合比

為研究基于交流阻抗技術(shù)的混凝土抗氯離子滲透性測試方法對不同膠凝材料體系混凝土的適用性和敏感性，共設計了10組配比，其膠凝材料包括P．O42.5普通硅酸鹽水泥、一級粉煤灰、S95礦渣及凝聚態(tài)硅灰，涵蓋了目前應用的絕大部分膠凝材料。所用水膠比固定為0.4，膠凝材料用量為466 kg/m3。細骨料為細度模數(shù)2.6的河砂，粗骨料為5～20 mm連續(xù)級配石灰石。混凝土配合比見表1。

為使各組混凝土具有相近的密實度，通過使用高效減水劑調(diào)整新拌混凝土的坍落度為150 mm左右。

1.2 試件制備及預處理

成型φ100 mm×300 mm的圓柱體試件，1 d后拆模，分別養(yǎng)護至測試齡期，切割成φ100 mm×50 mm試件，進行真空飽水，飽水制度同ASTM C1202。將飽水后的試件先進行交流阻抗測試，再將同一試件進行C1202電通量測試，每個配比每個齡期采用3個試件，測試值取其平均值。測試齡期為28 d及90 d。

1.3 測試儀器及測試步驟

交流阻抗測試所用儀器為Parstat 2263型電化學工作站，電極布置為雙電極體系，電極為100 mm×100mm不銹鋼。采用的頻率范圍為100 mHz～100 kHz，共取60個頻率點進行測試，各頻率點在總頻率范圍內(nèi)呈對數(shù)間隔分布。為保證電極與試件緊密接觸，減小界面效應影響，采取了以下措施:①在電極和試件間墊入浸泡0.3 mol/L NaOH溶液的濾紙;②使用平板夾具，并施加預緊力。

表1 混凝土配合比

2 測試結(jié)果與分析

阻抗測試典型Nyquist圖見圖1。由圖1可見，圖中有一特征點，其阻抗虛部最小。對不同配比不同齡期混凝土試件進行測試，發(fā)現(xiàn)該特征點對應的頻率不同(分布于50 Hz～5 kHz之間)，阻抗實部也不同。故對不同配比不同齡期混凝土試件采用固定頻率交流電進行測試，得到的阻抗可能包含較大的虛阻抗成分。

圖1 阻抗測試典型Nyquist圖

根據(jù)特征點(虛阻抗最小點)的阻抗實部及試件尺寸，用式(1)計算混凝土試件的電導率σ

式中，σ為電導率，S/m;L為試件厚度，為0.05 m;A為試件截面積，為0.01 m2;為特征實阻抗，Ω。

從交流阻抗測試的導電機理分析，混凝土試件中起導電作用的成分為孔溶液中的離子，如OH－，K+，Ca2+，Na+，SO等。劈開完成ASTM C1202測試的試件，在斷面上噴涂 AgNO3溶液，發(fā)現(xiàn)氯離子并未穿透混凝土，說明在陽極端起導電作用的離子并不包括氯離子。故交流阻抗測試的導電機理和ASTM C1202測試的導電機理相同，可預期交流阻抗測試得到的特征電導率與ASTM C1202得到的電通量之間存在相關(guān)關(guān)系。兩種方法的測試結(jié)果見圖2。

圖2 特征電導率與電通量間的關(guān)系

由圖2可見，對不同膠凝材料體系不同齡期混凝土采用交流阻抗方法得到的特征電導率σ均與ASTM C1202方法得到的電通量Q間存在良好的線性關(guān)系，其關(guān)系式見式(2)。兩者的相關(guān)系數(shù)為0.96。

根據(jù)ASTM C1202的滲透性評級準則［1］和式(2)可得到新方法的滲透性評級準則，見表2。

表2 混凝土特征電導率法滲透性評級準則

可見，交流阻抗試驗測得的特征電導率值通過式(2)可換算得到ASTM C1202的電通量值，通過表2可得到試件的滲透性等級。新方法的特點在于:①測試時間非常短，在本文采用的掃頻范圍內(nèi)測試時間＜5 min，且可僅對特征阻抗對應的頻率范圍進行測試，測試時間可縮短至10 s;②屬非破損性試驗方法，可對同一試件進行持續(xù)研究;③在飽水充分的前提下，測試結(jié)果的可重復性很好;④施加的交變電壓很低，可有效避免極化現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

1)基于阻抗測試技術(shù)，提出了一種混凝土滲透性快速評價方法。

2)交流阻抗測試得到的特征電導率與ASTM C1202方法得到的電通量之間存在良好的線性相關(guān)關(guān)系。在本文研究的范圍內(nèi)，該關(guān)系不隨膠凝材料體系及齡期的改變而變化。

3)依據(jù)ASTM C1202的滲透性評級標準和兩種方法的換算關(guān)系，建立了新的滲透性評級標準。

［1］American Society for Testing and Materials．ASTM C1202-12:Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration［S］．West Conshohocken:ASTM，2012．

［2］American Society for Testing and Materials．ASTM C1543-10a:Standard Test Method for Determining the Penetration of Chloride Ion into Concrete by Ponding［S］．West Conshohocken:ASTM，2010．

［3］American Society for Testing and Materials．ASTM C1556-11a:Standard Test Method for Determining the Apparent Chloride Diffusion Coefficient of Cementitious Mixtures by Bulk Diffusion［S］．West Conshohocken:ASTM，2011．

［4］史才軍，元強，鄧德華，等．混凝土中氯離子遷移特征的表征［J］．硅酸鹽學報，2007，35(4):522-530．

［5］SHI Caijun．Effect of mixing proportions of concrete on its electrical conductivity and the rapid chloride permeability test results［J］．Cement and Concrete Research，2004，34(3):537-545．［6］ZHAO Tiejun，ZHOU Zonghui，ZHU Jinquan，etal． An alternating test method for concrete permeability［J］． Cement and Concrete Research，1998，28(1):7-12．

［7］NEITHALATH N，JAIN N．Relating rapid chloride transport parameters of concretes to microstructural features extracted from electrical impedance［J］．Cement and Concrete Research，2010，40(7):1041-1051．

［8］DIAZ B，NOVOA X R，PEREZ M C．Study of the chloride diffusion in mortar:A new method ofdetermining diffusion coefficients based on impedance measurements［J］． Cement and Concrete Composites，2006，28(3):237-245．

Rapid assessment of concrete permeability using alternating current(AC)impedance spectroscopy technology

WU Lipeng1，2，YAN Peiyu2

(1．Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control of Ministry of Education，School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China;2．Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry，Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

The durability of concrete structure is mainly determined by its permeability．This paper proposed a rapid test method for concrete chloride ion permeability based on AC impedance technique，which has the feature of short test duration，good repeatability，and non-destructivity，is feasible for longterm monitoring of specific specimen，and is applicable to cement base materials with variable cementitious systems．The theoretical analysis and testing results showed that this method and ASTM C1202 has good correlation，the conversion relationship is found by linear regression based on experimental results，and the new concrete permeability grading criteria is established according to the old one of ASTM C1202．

Concrete permeability;Electric impedance;Correlativity

TU528.01

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．49

1003-1995(2013)04-0160-03

2012-10-20;

2013-01-20

北京市自然科學基金重點項目(8100001)

吳立朋(1981— )，男，河北石家莊人，講師，博士。

(責任審編 葛全紅)